無(wú)線(xiàn)視頻應用的可編程邏輯解決方案

數字視頻技術(shù)的出現成為一大喜事，相關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)工作如同打開(kāi)“潘多拉盒子”一樣神秘。在爭先恐后的數字化浪潮中，不同地域、不同產(chǎn)業(yè)和不同供應商不斷地發(fā)明該領(lǐng)域的新技術(shù)，因此出現了眾多的標準、格式、規則、規范以及相關(guān)的派生物，這就讓設計工程師感到無(wú)所適從，系統設計工程師面對更多的挑戰。面對數字視頻中引入的技術(shù)、格式和標準，數字視頻系統設計人員面臨的最重要挑戰是產(chǎn)品設計的風(fēng)險和設計復雜性。如何根據地域的差異設計產(chǎn)品?如何快速而高效地實(shí)現需要的所有性能?能否有效地支持一系列的配置以滿(mǎn)足不同市場(chǎng)層面的需求?系統設計人員的職責就是確保這一切設計目標順利實(shí)現。

數字顯示技術(shù)給系統設計人員提出了一些特有的挑戰，這些挑戰包括達到目標應用所需要的性能，面向特定技術(shù)的顯示特征校正，并且產(chǎn)生目標顯示的驅動(dòng)信號。大量的計算負荷會(huì )導致性能成為數字顯示應用中面臨的最重要挑戰，因為首先要實(shí)現與信號源的高帶寬連接。

信號傳送到顯示之后，需要對數據進(jìn)行一系列復雜的操作，例如從一種加密傳輸的格式中解碼為像素映射(pixel map)，并且為顯示進(jìn)行象素映射的優(yōu)化。最后數據用于生成顯示驅動(dòng)信號。更困難的是這些處理過(guò)程都必須實(shí)時(shí)實(shí)現，并且信息數據流的傳送速度要從大約25Mbps(流式HDTV)到1.5Gbps(原始未壓縮的1080i HDTV顯示數據)。

管線(xiàn)優(yōu)化同樣也是一個(gè)問(wèn)題。數字圖像數據必須適合特定的目標顯示技術(shù)的特征。這都建立在類(lèi)似的色彩學(xué)原理之上，但是都具有自己獨特的、非線(xiàn)性的顯示行為特征。因此RGB數據(通常都是面向CRT顯示)必須進(jìn)行處理才能在LCD、PDP或者其它的顯示器上顯示出可接受的顯示效果。這種處理可能簡(jiǎn)單到就是色彩校正，也可能包括更多的算法來(lái)實(shí)現縮放、對比度調節、亮度控制、梯度平滑、邊緣增強和影像增強，這就需要具有足夠的處理能力。

管線(xiàn)的后端面臨的挑戰在于，顯示驅動(dòng)電路要對圖像數據進(jìn)行處理并且物理地驅動(dòng)屏幕。這一個(gè)步驟將產(chǎn)生一系列的信號并且分配去驅動(dòng)每一個(gè)獨立的像素。這些驅動(dòng)信號的格式隨不同的技術(shù)而改變，具有嚴格的時(shí)序要求，并且其規范對于每種型號的顯示器都是獨一無(wú)二的。在數字投影儀的例子中，傳統的產(chǎn)品接受模擬RGB視頻輸入，通過(guò)對數據進(jìn)行適當的處理，然后驅動(dòng)投影顯示。這通常都是通過(guò)一些模擬(藍)、數字(黑)和控制(綠)分量來(lái)實(shí)現，如圖1所示。

隨著(zhù)數字一體化的發(fā)展，新產(chǎn)品可能要支持某些格式的直接數字輸入，而且可能支持接收和顯示編碼文件格式。在這種情況下，設計人員面臨的困難選擇是支持何種輸入和格式?然后必須選擇和整合適當的部件以在設計中實(shí)現這樣的選擇，并使之滿(mǎn)足性能方面的要求。圖2所示為支持快速802.11 WLAN連接的設計實(shí)例。工程師可能要問(wèn)：如何在系統控制器中實(shí)現新的邏輯來(lái)處理新的數據??為了整合新的部件，需要什么樣的接口和信號標準?需要研發(fā)什么樣的用戶(hù)接口和控制軟件?

由于802.11b、802.11a和HiperLAN2規范定義了非標準的接口，而且要求可以同數字顯示及其它的視頻產(chǎn)品之間接口，可編程邏輯自然就成為解決接口問(wèn)題的理想解決方案。一般來(lái)說(shuō)，可編程邏輯器件靈活、開(kāi)發(fā)平臺高效，因而能夠加快開(kāi)發(fā)進(jìn)度。此外，FPGA性?xún)r(jià)比極高，因而是可行的產(chǎn)品解決方案。

圖3所示為一個(gè)基于FPGA的數字一體化投影儀方案?？梢钥吹?，在A(yíng)/D變換器和現有的系統控制器之間加入了一個(gè)FPGA(用栗色示意)以及相關(guān)的邏輯。在這個(gè)設計中FPGA起到I/O仲裁的作用，接受來(lái)自所有三種信號源的輸入。

當這樣的連接處于有效狀態(tài)時(shí)，數字RGB只是簡(jiǎn)單地流過(guò)。然而在USB 2.0和802.11b的情況下，FPGA完全管理這些新的接口，并且將輸入數據流解碼為數字RGB格式。由于FPGA支持一些高速接口，所以可以靈活地選擇每一個(gè)其它的部件(存儲器和ASSP等)。FPGA也使得與未來(lái)的無(wú)線(xiàn)標準(比如802.11a和HiperLAN2)以及現有的有線(xiàn)接口(比如以太網(wǎng)和IEEE1394)的接口成為可能。

FPGA能夠完全獨立或適當地借助一個(gè)ASIC或ASSP來(lái)實(shí)現編碼/解碼以及圖像處理(用黑色/栗色模塊來(lái)表示)等功能。FPAG也支持眾多的加密/解密標準如AES、DES、三倍DES和一些特殊的類(lèi)型。目前，在流媒體文件解密方面還沒(méi)有建立牢靠的標準，業(yè)已存在的標準也因地域的差異和內容提供商的差異而呈現很大的不同。用可編程器件作解密引擎能夠支持用戶(hù)現在以及未來(lái)的需求。

作為顯示驅動(dòng)電路的核心，可編程邏輯設計可以支持兩種或者更多的顯示選項。在以下方面意義重大：控制昂貴的元器件成本;支持一系列基于一個(gè)通用內核設計的產(chǎn)品擴大市場(chǎng);可以使用LVDS在電路板上(通常都可能導致穿越大量的電路板區域)來(lái)對信號布線(xiàn)，并且最小化系統級EMI以及噪聲對關(guān)鍵信號的影響。

FPGA也特別適合設計獨特而有吸引力的用戶(hù)接口，它們是真正意義的GPIO，在今天激烈的市場(chǎng)競爭中，用戶(hù)接口成為區別于競爭對手產(chǎn)品的最有效的方式之一。FPGA為該領(lǐng)域的創(chuàng )新提供了最大自由。

此外，可編程邏輯對于無(wú)數次的設計反復不會(huì )延誤設計進(jìn)度。在整合新的和不熟悉的技術(shù)時(shí)，這可能成為它得天獨厚的優(yōu)勢。設計完成之后，產(chǎn)品就能夠迅速發(fā)布并快速投入生產(chǎn)。當出現不可避免的設計以及不兼容性問(wèn)題時(shí)，可以快速地解決并且對現場(chǎng)配備的系統迅速進(jìn)行升級，因而極大地降低支持和服務(wù)成本。如果用戶(hù)需求一種新的特征，一種不太一樣的性能，或者一種新的配置，借助于FPGA就可以快速且有效地實(shí)現。如果在生產(chǎn)過(guò)程中面臨一個(gè)系統元器件的供應問(wèn)題，FPGA還可以作為備選解決方案確保產(chǎn)品及時(shí)發(fā)貨。

總之，設備的便攜性、移動(dòng)性以及易用性已經(jīng)成為數字視頻信息無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)技術(shù)數據率和QoS的不斷提高，無(wú)線(xiàn)視頻的夢(mèng)想終將化為現實(shí)。然而，在數字系統中整合各種無(wú)線(xiàn)接口技術(shù)時(shí)仍然存在一些設計挑戰，可編程邏輯器件通過(guò)提供到其它部件的接口、解碼/編碼、圖像處理和加密/解密功能，以及快速上市時(shí)間和設計靈活性等有時(shí)能幫助設計工程師解決面臨的問(wèn)題